חולמים לעוף מכאן? כך התפתחה יכולת התעופה ארבע פעמים במהלך האבולוציה - מדע - הארץ

רשימת קריאה

רשימת הקריאה מאפשרת לך לשמור כתבות ולקרוא אותן במועד מאוחר יותר באתר,במובייל או באפליקציה.

לחיצה על כפתור "שמור", בתחילת הכתבה תוסיף את הכתבה לרשימת הקריאה שלך.
לחיצה על "הסר" תסיר את הכתבה מרשימת הקריאה.

חולמים לעוף מכאן? כך התפתחה יכולת התעופה ארבע פעמים במהלך האבולוציה

לכתבה
הדמיה של ארכיאופטריקס, "החוליה החסרה" בין הדינוזאור לציפור. בשלושה מארבעת האירועים של פיתוח היכולת לעוף, הקהילה המדעית מכירה רק את התוצאה הסופית Elenarts / iStockphoto via Getty

לפני מאות מיליוני שנים, הרבה לפני שבני אדם הילכו על פני כדור הארץ, פיתחו בעלי החיים הראשונים את היכולת לעוף. לאורך הדורות, תהליך זה אירע בנפרד עוד שלוש פעמים נוספות - בכל פעם בצורה אחרת. כיום, מאובנים שהתגלו, כמו גם כלים גנטיים וחישוביים חדשים, מאפשרים להבין טוב יותר את האבולוציה של התעופה. זה מה שידוע עליה עד כה

14תגובות

ב-17 בדצמבר, 1903, הצליחו האחים וילבור ואורוויל רייט להגשים חלום אנושי בן אלפי שנים: להמריא באוויר כמו ציפורים. יותר ממאה שנים אחרי כן, כשמגפת הקורונה מטלטלת מדינות בין אדום לירוק, המראה במטוס למקום אחר נראית לרבים שוב כתרחיש בדיוני. לכן, בימים כאלה - עת החסידות עושות את דרכן מעל ראשינו לארצות הדרום החמות - כל מה שנותר הוא לשוב ולחלום על האפשרות שיום אחד נוכל פשוט לפרוש כנפיים ולעוף.

מלבד ההנאה הרבה שיש בתעופה, לבעלי החיים המעופפים יתרונות רבים על אלה הצמודים לקרקע. אולם, היכולת להישאר באוויר בכוח תנועת הכנפיים - בניגוד לדאייה - היא משימה מורכבת. לכן, לא מפתיע שבעלי חיים פיתחו את היכולת לעוף רק ארבע פעמים במהלך האבולוציה בכדור הארץ.

הראשונים היו החרקים, כך מסביר פרופ' אריאל צ'יפמן, ביולוג אבולוציוני מהאוניברסיטה העברית. לדבריו, אלה למדו לעוף לפני 370 עד 350 מיליון שנה. אחריהם באו הפטרוזאורים – קרוביהם הרחוקים של הדינוזאורים, שלמדו לעוף לפני 240 עד 230 מיליון שנה. אז, לפני 190 עד 180 מיליון שנה, פיתחו גם כמה דינוזאורים את היכולת לעוף, והם התפתחו לציפורים של היום. אחרונים חביבים היו העטלפים, היונקים היחידים שפיתחו את היכולת לעופף, לפני 60 עד 55 מיליון שנה.

הדמיה של מיקרורפטור, דינוזאור מנוצה מעופף.
Fred Wierum

תהליך שבו מינים שונים מפתחים בנפרד יכולת זהה נקרא "אבולוציה מתכנסת". צ'יפמן מסביר כי בכל פעם, הכנפיים והיכולת לעוף התפתחו בצורה אחרת, כפי שניתן ללמוד מצורות הכנפיים השונות. אצל החרקים, הכנפיים צומחות מהגב. הכנף של הפטרוזאורים התפתחה מהאצבע הרביעית שלהם, שהתארכה ומשמשת כמעין "תורן" צדי של מפרש. הציפורים איבדו את אצבעות הידיים, והכנפיים צומחות להם ישירות מהזרוע. אצל העטלפים, ארבע אצבעות הפכו ל"שלד" שמחזיק את הכנף.

תהליך שבו מינים שונים שמפתחים בנפרד יכולת זהה, נקרא "אבולוציה מתכנסת". בכל פעם, הכנפיים והיכולת לעוף התפתחו בצורה אחרת, כפי שניתן ללמוד מצורות הכנפיים השונות

כדי להבין לעומק כיצד בעלי חיים פיתחו את היכולת לעוף, צריך למצוא את המינים של שוכני הקרקע שמהם התפתחו אותם מעופפים ראשונים - ולזהות מאובנים של מינים ב"שלבי הביניים" של פיתוח היכולת לעוף. מלבד הציפורים, בשלושה מארבעת האירועים של פיתוח היכולת לעוף, הקהילה המדעית מכירה רק את התוצאה הסופית. כך מסביר צ'יפמן, שמוסיף כי המינים המכונפים מופיעים בשכבות המאובנים כשהם כבר בשלב מפותח של היכולת לעוף.

אולם, מאובנים שהתגלו בעשרות השנים האחרונות, לצד פיתוח כלים גנטיים וחישוביים חדשים, מאפשרים להבין טוב יותר את האבולוציה של התעופה. אם כן, מה ידוע כיום על המקרים בהיסטוריה של הטבע שבהם בעלי חיים גילו בעצמם את היכולת להמריא אל השחקים?

ציפורים

תגליות פלאונטולוגיות בסין מאז שנות ה-90, הופכות את הבנת האבולוציה של הציפורים לשלמה ביותר מבין כל המינים המעופפים. אלה כוללות מציאת דוגמאות של מינים בשלבי המעבר בין דינוזאורים שוכני קרקע לציפורים מעופפות. צ'יפמן מספר כי הציפורים התפתחו ממינים של דינוזאורים מכוסי נוצות. הנוצות עצמן הופיעו לראשונה כאמצעי בידוד מהסביבה. ככל הנראה, הטירנוזאורוס רקס האימתני היה מנוצה, לפחות בשלבי חייו המוקדמים.

ציפורים אינפו

עם הדורות, הנוצות הפכו מורכבות יותר ומתאימות לתנאי חיים שונים. בשלב מסוים, אחד מאותם דינוזאורים מנוצים, שחי על צמרות עצים, גילה ככל הנראה כי הנוצות יכולות לעזור לו לדאות ולשהות זמן רב יותר באוויר, אומר צ'יפמן. אם כי לפי הסבר חלופי, היה זה דווקא דינוזאור שוכן קרקע שמצא שהנוצות עוזרות לו בניתור, בדומה לכנפי התרנגול היום.

מאובן של סינוזאורופטריקס, דינוזאור בעל פלומת נוצות.
Jakob Vinther / Fiann Smithwick

לאחר הדאייה הראשונה, מסביר צ'יפמן, החלו הדינוזאורים לשכלל את יכולתם להישאר באוויר בדרכים שונות. הציפורים המעופפות הראשונות, הוא מוסיף, עשו זאת בצורה המזכירה את תעופת העורבני, הכוללת מעופים קצרים בין ענף לענף בסבך. אולם, במהרה שיטות התעופה הלכו והתסעפו. בין השאר, מפרט החוקר, נמצאו דינוזאורים עם שני זוגות כנפיים: שתיים על הרגליים הקדמיות ושתיים על האחוריות.

הרוב המכריע של אותם ניסיונות בדרכי תעופה נכשל, לפחות בפרספקטיבה האבולוציונית, ומי ששרדו הם אבותיהם של הציפורים של היום. גם אצל הציפורים עצמן, התפתחו במהרה מגוון יכולות תעופה, החל מהיונקי הדבש שמעופפים במקום בדומה למסוק, ועד לפינגווינים שלמעשה מעופפים במים, כלומר הם משתמשים בכנפיים שלהם כדי להתקדם בסביבה שצפופה פי 900 יותר מאוויר, בדיוק באותו אופן שבו ציפורים מניעות את כנפיהן כדי לנוע באוויר.‎

פטרוזאורים

הפטרוזאורים, הזוחלים המעופפים שחיו לצד הדינוזאורים, ריתקו את הציבור הרחב לא פחות מהזוחלים הקדומים שוכני הקרקע. חרף הבלבול הנפוץ, הם היו קבוצה נפרדת מהדינוזאורים. המאובן הראשון של פטרוזאור תואר על ידי הנטורליסט האיטלקי קוסימו אלסנדרו קוליני, שחי במאה ה-18. הוא ובני תקופתו הופתעו מהשילוב החריג של תכונות שלא נצפו עד אז באף מין של בעל חיים. בתחילה, הניחו החוקרים שמדובר בבעל חיים ימי. רק עשור ויותר מאוחר יותר הובן לראשונה כי זו דוגמה של זוחל מעופף קדום.

פטרו אינפו

מאז, התגלו דוגמאות רבות של פטרוזאורים, ואף זוהו מינים שוכני קרקע שמהם התפתחו הזוחלים המעופפים. אולם, ללא האצבע המוארכת האופיינית שעליה תלויה הכנף - ושאותה הציבור הרחב מכיר היטב מגוון מינים בגדלים וצורות שונות - הסוג המוכר ביותר של פטרוזאור נותר הפטרודקטיל. המאובן הראשון מקבוצה זו התגלה לפני יותר מ-300 שנה.

אולם, צ'יפמן מדגיש כי הפטרוזאורים היו בעלי חיים מגוונים ביותר, מזוחלים מעופפים בגודל של יונה, ועד לחיות המעופפות הגדולות ביותר שנמצאו עד היום, עם מוטת כנפיים של יותר מ-12 מטרים. חרף הדימוי המוכר של כנפי עור ענקיות, נראה כי גופם של הפטרוזאורים היה מכוסה בפלומה דמוית שיער שעזרה להם לשמור על חום גופם. את שרידיה ניתן למצוא בקווים העדינים של חומר שעוטים חלק מהמאובנים שנמצאו עד היום.

מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת המדעי Nature בשבוע שעבר, משתמש באנליזות מתקדמות בהשוואה בין קרוב ל-20 מינים שונים של פטרוזאורים שונים כדי למדל את יכולות התעופה שלהם ולמדוד כיצד הם השתנו עם הזמן. המחקר מראה כי הזוחלים המעופפים הלכו ושכללו את יכולת התעופה שלהם לאורך 150 מיליון שנות אבולוציה. בסופו של התהליך, יכולת התעופה שלהם היתה גבוהה פי שניים מזו של אבותיהם המעופפים הראשונים. ואז, לפני 66 מיליון שנה, הם נכחדו ונעלמו מן העולם יחד עם הדינוזאורים.

חרקים

גם בהיסטוריה של בעלי החיים המעופפים הראשונים יש סימן שאלה משמעותי. צ'יפמן מסביר כי אבותיהם של פרוקי הרגליים של החרקים יצאו מהמים והתרגלו לחיים על היבשה לפני יותר מ-400 מיליון שנה. אולם, אז יש "חור" של עשרות מיליוני שנים בשכבות המאובנים -עד שלפני כ-370 מיליון שנה או מעט יותר מופיעים החרקים המעופפים הראשונים.

הציפורים המעופפות הראשונות עשו זאת בצורה המזכירה את תעופת העורבני, הכוללת מעופים קצרים בין ענף לענף בסבך. אולם, במהרה שיטות התעופה הלכו והתסעפו

חרקיםאינפו

לחרקים קדומים אלה, מספר צ'יפמן, היו שני זוגות של כנפיים ארוכות וישרות, בדומה לכנפי השפירית. בהמשך, פיתחו חרקים גם את היכולת לקפל את כנפיהם לאחור כך שיכסו את גבן, כמו אצל החיפושיות של היום. יכולת קיפול זו הרחיבה באופן משמעותי את הכישורים והמגוון של החרקים, ויכולות התעופה המרשימות שפיתחו חרקים שונים מאז תרמו להפיכתם למחלקת בעלי החיים הנפוצה והמגוונת ביותר בכדור הארץ.

אולם, החידה הגדולה באבולוציה של החרקים, מעיד צ'יפמן, נוגעת להופעת הכנפיים לראשונה. בניגוד למעופפים המאוחרים יותר, אצל החרקים "אין רגל שהפכה לכנף. זהו מבנה חדש לחלוטין", מסביר החוקר. חידושים שכאלה, שמופיעים "יש מאין", הם כמה מהתעלומות הגדולות ביותר של חקר האבולוציה בכלל.

עד לאחרונה, מעיד צ'יפמן, היו שתי תיאוריות מובילות להופעת הכנפיים. לפי הראשונה, הכנף היא בעצם התארכות של לוחיות של שריון הגב. התיאוריה השנייה היא שהכנפיים התפתחו ממבנים שהיו לאבותיהם הקדומים של החרקים על רגליהם. כך למשל, למינים שונים של סרטנים - קרובי משפחתם הרחוקים של החרקים - יש זימים ברגליהם. מאמר שהתפרסם בעשור הקודם הציג היפותזה שלפיה הכנפיים התפתחו ממבנים מנוונים אלה.

למעלה: מאובן של פרפר קדום. למטה: פרפר מודרני.
Conrad Labandeira (top) and Jorg

אולם, לדברי צ'יפמן, הבעיה בתיאוריה הראשונה היא שלוחיות הגב הן קשיחות ונטולות מפרק, ולכן לא ברור איך כנף שהתפתחה מהם קיבלה את היכולת לנוע. התיאוריה השנייה אמנם כוללת מבנה שנמצא על מפרק בעל יכולת תנועה רבה, אולם קשה להבין איך זימים מנוונים שהיו מחוברים לרגל יכלו להפוך לכנף כה גדולה.

בשנתיים האחרונות, הסבר שלישי, שמשלב את שתי התיאוריות, זוכה לתמיכה משמעותית ממחקרים גנטיים. מחקרים אלה, אומר צ'יפמן, מראים כי אצל הסרטנים דודניהם של החרקים, יש לפחות גן אחד שמתבטא (נמצא במצב פעיל ולכן מתורגם לחלבונים - א"ר) גם ברקמת הרגל וגם בלוחית הגב. לכן, אומר צ'יפמן, מוטציה שתשנה את האופן שבו הגן הזה משפיע על האנטומיה של בעל החיים יכולה לגרום שינויים מקבילים ברגל ובגב – שינויים שיאפשרו לשני האברים להתחבר ולהפוך לכנף של היום.

במחקר שהתפרסם בקיץ האחרון בכתב העת המדעי Nature ecology and Evolution, הציגו צמד חוקרים ניתוח גנטי שמדגים כיצד מוטציה יחידה היתה יכולה לגרום למפרק הרגל להיטמע בלוחית הגב המתארכת - שיחדיו יקבלו את יכולת התנועה שאפשרה לחרקים הראשונים להמריא. ואכן, החוקרים מראים כי גנים הדומים לאלה שמופיעים ברגל ובלוחית הגב של הסרטנים מאפיינים את הגנטיקה של כנפי החרקים.

עטלפים

חרף היותם המעופפים הצעירים ביותר - וגם היונקים היחידים שמצאו דרך להחזיק עצמם באוויר - האבולוציה של התעופה בעטלפים מסתורית לא פחות, אם לא יותר, משל בעלי החיים המעופפים הקדומים יותר. המאובנים הקדומים ביותר של העטלפים מופיעים עם כנפיים מפותחות לגמרי בשכבות המאובנים לפני 60 עד 50 מיליון שנה.

עטלפים אינפו

כיום, ידוע שהעטלפים הם קרובי משפחה רחוקים של סדרת הטורפים (שלה שייכים, בין היתר, החתולים, הדובים והזאבים), וגם של הפרסתנים (כמו הצבאים והאיילים). אולם, לדברי יוסי יובל, מומחה לעטלפים מאוניברסיטת תל אביב, אי הבהירות לגבי האבולוציה של התעופה אצל היונקים הוא כה גדול, "שגם אם נמצא את האב הקדמון ממנו התפתחו העטלפים, לא ברור אם נדע לזהות אותו".

לדבריו של יובל, ישנן תיאוריות רבות לגבי מקור יכולת התעופה שלהם. הוא מוסיף כי שאלה זו משתלבת עם השאלה לגבי יכולתם של העטלפים לנווט באמצעות מערכת הסונאר העל-קולי שלהם. "שאלה אחת היא מה התפתח קודם, הסונאר או התעופה, או שהם התפתחו במקביל", אומר יובל.

יובל מוסיף ומפרט כי הסבר אפשרי אחד - אך תיאורטי לחלוטין בשלב זה - הוא שהעטלפים התפתחו ממין של יונק אוכל חרקים שקיפץ מענף לענף. ייתכן שקרומי עור שהתפתחו בין אצבעותיו בזכות מוטציות סייעו לו להישאר זמן רב יותר באוויר. אפשרות נוספת היא שהקרומים הללו גם הקלו עליו ללכוד חרקים. "גם היום, העטלפים משתמשים בכנפיהם כדי להביא את החרקים לפה. לא קל ללכוד חרק בעזרת הפה בזמן התעופה", מזכיר החוקר. אולם, הוא מדגיש כי מדובר בהשערה אחת מיני רבות, ונכון להיום, אין דרך להכריע אילו מההצעות לגבי מקור התעופה של העטלפים נכונה יותר.

הדמיה של העטלף הקדום אוניקוניקטריס.
Nobu Tamura

יובל מעריך כי אחד ההסברים לסימן השאלה בהבנה של האבולוציה של העטלפים לעומת הציפורים נובעת מהפער ההיסטורי בהיקף המחקר על המינים השונים של החיות המעופפות, וכן מההבדל בגודל בין הקבוצות – עטלפים מעולם לא הגיעו לגדלים של הציפורים. סיבה אפשרית נוספת היא שיש מספר קטן בהרבה של מיני עטלפים מציפורים, ובהתאם יש פחות עטלפים מציפורים בעולם. חוסר איזון זה משתקף גם בממצאי המאובנים שנשמרו מעשרות מיליוני השנים האחרונות.

אפשרות אחת לפריצת דרך בהבנת האבולוציה של התעופה אצל העטלפים לא תהיה במציאת מאובן חדש, אלא במחקר גנטי כמו אצל החרקים. יובל מספר כי כיום נערך פרויקט בינלאומי ענק למיפוי הגנום של עשרות מיני עטלפים. לפרויקט מטרות רבות, אולם ממצאיו יאפשרו אולי לזהות אילו גנים ממלאים תפקיד בהתפתחות הכנפיים של העטלף, וכך בתהליך של "הנדסה לאחור" לשחזר את האבולוציה של בעלי החיים הקרובים אלינו ביותר שיש להם יכולת לעוף.



תגובות

דלג על התגובות

בשליחת תגובה זו הנני מצהיר שאני מסכים/מסכימה עם תנאי השימוש של אתר הארץ

סדר את התגובות